基于RobotStudio 的多平臺虛擬仿真設計＊

馬俊強， 郭暢， 陳敏

（1.廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023；2.廣西體育高等?？茖W校，廣西 南寧 530023）

工業領域的技術革新，推動著機械生產制造過程更加注重智能化、網絡化、降低人力成本、降低誤差率、提高生產效率，因此，工業機器人的應用范圍越來越廣泛，不僅推動著企業的轉型升級，同時也提升了企業在行業中的競爭力［1-2］。

面對市場的變化，為滿足工業機器人職業技能人才的需求，各大中專院校紛紛開設了工業機器人專業。但因機器人設備價格昂貴，學校購入設備數量較少，導致學生真正可以熟悉設備的時間比較少，同時因學生處于剛入門階段，在設備操作過程中，極容易造成設備碰撞損壞，使得維護成本變高［3］。這些均會影響到正常的教學活動，因此虛擬化的教學優勢逐步體現。

工業機器人的學習與應用一般都不是獨立存在的，需要搭配控制系統，實現有目的有規律的動作。文獻［1］中利用SolidWorks 和RobotStudio 聯合建立了多機器人柔性制造生產線虛擬仿真系統。文獻［4］中提出了一種基于三維仿真平臺NX MCD 的機器人自動化生產系統虛擬調試方法，通過磨削系統、機器人控制器和PLC 控制器的信號實時交互，實現機器人和PLC 的聯動控制。文獻［5］中利用RobotStudio 和SolidWorks 搭建了機器人上下料工作站并進行了仿真測試。文獻［6］中通過三維軟件完善了仿真軟件RobotStudio 建模方面的缺陷，聯合建立了分揀工作站的動態仿真模型。文獻［7］中在RobotStudio 虛擬平臺上搭建了焊接機器人工作站。文獻［8］中研究利用SolidWorks 和RobotStudio構建了多個工業機器人虛擬仿真工作站的實訓平臺。文獻［9］中針對實訓室建設中實訓設備場地和設備不足的情況而提出了工業機器人應用虛擬仿真實驗開發平臺解決思路。以上研究成果為虛擬仿真的研究提供了很好思路，但對多個工業設備間的數據交互，因其實現較為復雜，故難以在有限的課堂中推廣使用。

本文基于S7-1500PLC、昆侖通態MCGS 和RobotStudio 聯合建立機器人焊接系統，通過觸摸屏的操作，直觀地查看機器人的運動數據。一方面解決了多平臺之間的數據交互問題，另一方面可使教學活動方便直觀，每位同學可實際操作演示，具有普遍實際意義和經濟實用性。

1 機器人焊接系統搭建

RobotStudio 軟件是機器人離線仿真編程軟件，提供了多種CAD 數據類型的導入文件功能。該焊接系統結合RobotStudio 軟件的機器人模型庫文件以及Solidworks 三維軟件創建焊接工件，通過調整機器人在工作站中的位置，組合完成整個焊接系統的布局。同時，該系統結合學校實訓設備焊接機器人，選擇了IRB1410 型號機器人以及IRC5控制柜，圖1 為虛擬焊接機器人工作站的模型及整體布局圖。

圖1 焊接機器人工作站

2 機器人焊接系統通信控制

2.1 機器人焊接系統組成

機器人焊接虛擬控制系統的通信方案如圖2 所示，系統包含了SolidWorks、PLCSIM、RobotStudio、MCGS 四個組成部分。SolidWorks 軟件完成焊件模型的繪制，PLCSIM 軟件實現S7-1500PLC 虛擬化的運行仿真、監控，RobotStudio 軟件實現機器人系統模型的搭建、組裝及程序仿真控制，MCGS 實現系統的上位機控制和過程的監控。上述平臺主要是通過NetToPLCsim 完成信號的傳遞及交互，以達到過程通信、調試、監控的效果。

圖2 控制系統通信方案

2.2 機器人焊接系統控制流程

機器人焊接控制系統包含了機器人控制器IRC5 和S7-1500PLC 控制器兩部分。在機器人焊接系統工作過程中，焊接件到位信號、機器人焊接觸發信號、機器人焊接完成信號等與機器人控制器和PLC 控制器實現信號的交互控制。

焊接件經傳動帶輸送至焊接位置，焊接件經過傳感器1 時，傳感器上升沿觸發計數為1，焊件開始進入工作區，傳感器2 觸發，焊件到達焊接位置，啟動焊接機器人進行焊接工作，焊接完成后，機器人完成信號發送給PLC，PLC 啟動控制傳送帶反轉，經傳感器1 時，傳感器上升沿觸發計數復位為0，焊件離開工作區，傳感器1 和傳感器2 需共同判定是否執行機器人程序，以防止誤判，如否，則循環執行下一個焊接流程，并通過PLC 計數統計完成數量。焊接系統生產流程圖如圖3 所示。

圖3 焊接系統生產流程圖

機器人焊接系統中PLC 主要控制傳送帶的正反轉、傳感器1 計數信號和傳感器2 到位檢測信號的控制程序以及焊接完成的數量統計。PLC 控制的輸入信號是傳感器2 的觸發信號和機器人的焊接完成信號，輸出信號是機器人接收到位信號，傳感器1 的計數作為輸入輸出信號，避免多個焊件進入工作區。

2.3 建立通信連接

為實現不同設備之間建立虛擬網絡連接，將1500PLC 作為主控單元，機器人以及MCGS 設備作為響應單元，其接收并響應處理不同設備間發送的信號，并通過相應流程實現。

首先在平臺上將Industrial Networks-709-1 DeviceNet Master／Slave和Communication-616-1 PC Interface 選項選中，機器人輸入輸出信號需要基于d652 板卡建立。在RobotApps 中搜索Snap7 庫，RSConnectDIOToSnap7 和 RSConnectGIOToSnap7是RobotStudio 與PLCSIM 通訊的插件，它是基于網絡通信方式，實現控制點信號和組態信號的接入。

然后以管理員的身份打開NetToPLCsim 軟件，確定電腦102 TCP 端口沒有被占用，因為電腦102端口是作為消息傳輸代理機制來使用的，通過該端口可以連接不同的網絡IP 段，將不同網絡平臺中接收和轉發的數據包進行交互，實現不同平臺下軟件的聯動控制操作。NetToPLCsim 通信設置圖如圖4 所示。

圖4 NetToPLCsim 通信設置圖

最后是建立昆侖通態MCGS 與PLC 之間的連接，選用MCGS 組態軟件是支持網絡通訊，兩者之間的通信均為基于S7 協議通信，因此PLC 屬性需選中“允許來自遠程對象的PUT／GET 通信訪問的功能”，這樣就可以建立MCGS 和PLC 之間進行數據通信［10-12］。

值得注意的是，MCGS 和PLCSIM 的本地IP 地址屬于同一網絡段，MCGS 的遠端IP 地址和RSConnectDIOToSnap7 屬于同一網絡IP，兩個網絡地址不相同，通過NetToPLCsim 工具實現不同網絡之間數據實時交互。各設備網絡IP 地址設置如表1 所示。

2.4 設置IO 信號與Smart 動態組件設計

本文通信主要使用點信號RSConnectDIOTo-Sn ap7 插件將機器人信號通過Smart 組件形式與通信插件連接，通信插件再與PLC 通信連接，即將機器人輸出信號發送至RSConnectDIOToSnap7，再由RSConnectDIOToSnap7 將信號的狀態傳給PLC，以此可以實現PLC 和機器人之間的數據通信。通信IO 表如表2 所示。

表2 通信IO 表

為實現通過觸摸屏控制機器人的仿真運行，整個工作流程的Smart 組件邏輯關系如圖5 所示。圖中的HanJie2.0 是焊接機器人的邏輯關系，當焊接件傳送到位以后，傳感器2 信號由0 變為1，并發送信號給Abb_DI，機器人接收到信號則進行焊接動作。焊接完成后，AbbZunBei 置位為1，發送信號至D0_0，執行下一流程工作，同時為實現信號的實時交互，設置定時器脈沖觸發。

圖5 焊接系統Smart 組件邏輯關系

3 機器人焊接系統虛擬測試

為測試驗證多平臺之間的虛擬仿真有效性，根據控制要求，編寫PLC 程序和機器人程序，并繪制觸摸屏畫面，分別如圖6、7 所示。觸摸屏操作啟動／停止按鈕，機器人可接收到PLC 發送的信號，并執行焊接程序。觸摸屏上根據機器人執行焊接次數還可以統計焊接工件數量，也可顯示焊接過程中各個變量的實時狀態，如圖8 所示，即表示觸摸屏MCGS 和機器人之間可以實現正常的數據通信，多平臺之間的虛擬仿真系統測試有效。

圖7 觸摸屏初始畫面

圖8 觸摸屏監控畫面

4 結論

隨著智能制造的不斷提出，虛擬仿真控制系統可以大大減少試錯的機會，為快速方案設計和學生線上線下學習提供了大量的機會。本文研究結合了自動化系統方案中常用的PLC 控制器、工業機器人、MCGS 觸摸屏設備，通過PLCSIM 工具、NetToPLCsim 軟件工具、Snap7 通信插件，實現其通信接口的連接，從而搭建完成了純虛擬的仿真系統平臺。

該虛擬仿真平臺的搭建不僅可以為實際的制造生產提供了理論依據和實驗平臺，還可以大大降低工程師們設計、調試的成本，大大提高生產效率，而且對高校的教育教學，提供了一種新穎且可行的方案，降低了學生的學習成本。該實驗平臺具有完全的開放性，對于工業自動化方面的學習具有理論指導意義。